원자력과 수소의 만남, 핑크수소란 무엇일까?

원자력과 수소의 만남, 핑크수소란 무엇일까?

대학생신재생에너지기자단 27기 권준혁, 정환교

탄소중립의 열쇠, 무탄소 에너지의 새로운 해법 ‘핑크 수소’

바야흐로 탄소중립의 시대다. 전 세계적으로 화석연료와의 결별을 선언하며 청정에너지로의 전환을 서두르는 가운데, 수소는 그 중심에 서 있는 핵심 에너지원이다. 그러나 모든 수소가 평등한 것은 아니다. 현재 생산되는 수소 대다수를 차지하는 ‘그레이 수소’는 생산 과정에서 이산화탄소를 배출한다는 치명적인 모순을 안고 있으며, 이를 포집해 저장하는 ‘블루 수소’ 역시 완벽한 대안이 되기에는 한계가 뚜렷하다. 이에 태양광이나 풍력 등 재생에너지를 이용한 ‘그린 수소’가 이상적인 모델로 제시됐으나, 높은 생산 단가와 간헐적인 발전 특성으로 인해 경제성 확보라는 높은 벽에 부딪혀 있다.

이러한 상황에서 원자력 발전의 무탄소 전력을 활용해 물을 전기분해하여 생산하는 ‘핑크 수소(Pink Hydrogen)’가 현실적이고 강력한 대안으로 급부상하고 있다. 원자력은 재생에너지의 단점인 간헐성을 보완하고, 저렴한 단가로 대량의 수소를 안정적으로 공급할 수 있는 잠재력을 지녔기 때문이다.

[자료 1. 핑크수소의 개념]

출처 : ⓒ27기 권준혁 Chat GPT 생성

핑크 수소, 경제성과 전력망 안정의 ‘두 마리 토끼’

핑크 수소가 탄소중립 시대의 현실적인 대안으로 주목받는 이유는 명확하다. 바로 압도적인 ‘경제성’과 전력 계통의 ‘유연성’을 동시에 확보할 수 있기 때문이다.

우선 경제성 측면에서 핑크 수소는 타 청정수소 대비 확실한 우위를 점한다. 수소 생산 비용의 약 60~70%는 전력 요금이 차지하는데, 원자력 발전은 현존하는 무탄소 전원 중 발전 단가가 가장 저렴하다. 재생에너지를 이용한 그린 수소는 태양광이나 풍력의 간헐성으로 인해 설비 이용률이 낮아 생산 단가를 낮추는 데 한계가 있는 반면, 원전은 24시간 안정적인 전력 공급이 가능해 수전해 설비의 가동률을 극대화할 수 있다. 이는 곧 수소 생산 단가의 획기적인 절감으로 이어진다. 글로벌 투자은행 라자드(Lazard)의 보고서 등 다수의 연구 결과도 핑크 수소의 생산 단가가 그린 수소의 절반 수준에 불과하며, 심지어 화석연료 기반의 그레이 수소와도 경쟁 가능한 수준에 도달할 잠재력이 있음을 시사한다.

더욱 중요한 지점은 핑크 수소가 재생에너지 확대에 따른 전력망 불안정 문제를 해결할 ‘백업’ 역할을 수행할 수 있다는 것이다. 재생에너지 발전 비중이 높아지면 날씨가 좋은 날에는 전력이 과잉 생산되기 때문에, 전력망 과부하를 막기 위해 가스 발전소들은 출력을 줄이고 부분 부하 운전을 한다. 문제는 경직성 전원인 원자력 발전소다. 원전은 한번 발전을 시작하면 출력을 수시로 조절하기 어려워 재생에너지 발전량이 급증할 때 유연하게 대응하기 힘들다는 단점이 있다. 이로 인해 재생에너지 비중이 높은 지역에서는 원전의 가동을 줄여야 하는 비효율적인 상황이 빚어지기도 했다.

하지만 원전을 수소 생산과 연계하면 이야기가 달라진다. 전력 수요가 적거나 재생에너지 발전량이 많은 시간대에는 원전에서 생산된 잉여 전력을 송전망으로 보내는 대신 수전해 설비로 돌려 수소를 생산하면 된다. 즉, 수소 생산 설비가 전력을 저장하는 거대한 배터리 역할을 수행함으로써, 원전의 출력을 줄이지 않고도 전력망의 수급 균형을 맞출 수 있게 되는 것이다. 이는 원전의 기저부하 역할을 유지하면서도 재생에너지와의 공존을 가능케 하는 가장 현실적이고 효율적인 해법이라 할 수 있다.

핑크수소를 위한 혁신 기술들

1) SOEC

수전해에는 알칼라인, PEM 등 여러 가지 방식이 있다. 그 중에서도 ‘핑크수소’ 개념의 부상으로 각광받는 수전해 방식이 있는데, 바로 고체 산화물 전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)이다. SOEC는 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 거꾸로 돌린 것으로 이해하면 쉽다. 

[자료 2. SOEC의 작동 원리]

출처 : ⓒ27기 권준혁

SOFC가 수소와 산소를 이용해 수증기와 전기를 만든다면, SOEC는 반대로 전기와 수증기를 이용해 수소와 산소를 생산한다. SOFC와 SOEC는 모두 고체 산화물 기반 전지이기 때문에 공통점도 많다. 대표적으로 600~900도에 이르는 고온에서 작동한다는 특징이 있다. 하지만 작동 온도를 500도 부근까지 낮춰가고 있는 SOFC와는 다르게, SOEC는 기술적으로 덜 성숙하기도 했고 반응 자체도 흡열 반응이라 에너지가 더 많이 필요하여 SOFC보다 더 높은 작동 온도가 필요하다. 고온에서 작동할 경우 화학 반응에 필요한 전기 에너지의 16%가량을 열에너지로 공급할 수 있어 전기 효율이 저온 수전해 방식에 비해 20%가량 증가한다. 이는 수소 생산 비용에서 전기 요금이 상당 부분을 차지한다는 점을 고려하면 운영 비용(OPEX) 측면에서 큰 강점이다.

하지만 900도에 달하는 높은 온도를 유지하기 위해 계속 에너지가 들어가야 하기 때문에, 열에너지를 싸게 공급받지 못한다면 전기 에너지를 절약해도 열에너지를 만드는데 비용이 들어가기 때문에 오히려 배보다 배꼽이 더 커지는 지경에 이를 수 있다. 따라서 SOEC는 단독으로 운전하기보다는 제철소나 석유화학 플랜트의 폐열을 회수하여 운전하는 전략이 주로 논의되고 있다. 

폐열 회수는 철강이나 석유화학 플랜트에서 나오는 고온의 배기가스의 열을, 열교환기를 통해 SOEC에 투입되는 수증기로 전달하는 방식으로 이뤄진다. 참고로, SOEC 공급 원료의 가열 과정에서 투입되는 에너지의 약 54%가 물 증발 과정에서 소비되기 때문에 열 교환기는 주로 SOEC의 물 증발기에 연동되도록 위치한다. 결론적으로, SOEC는 더 적은 전기 에너지로 수소를 생산할 수 있어 수소 가격을 크게 낮출 수 있는 기술로 평가받지만, 고온의 산업 폐열과 연계해야 한다는 점에서 입지 제약이 존재한다.

이러한 상황에서 많은 전문가들이 원전과 SOEC를 연계한 핑크수소 생산 전략에 주목하고 있다. 원전은 여러 폐열 공급원 중에서도 SOEC와의 시너지가 매우 좋은 것으로 평가받는데, 그 이유는 다음과 같다. 첫 번째로, 원자력 발전소는 24시간 내내 연속적으로 가동하며 기저부하 역할을 수행하기 때문에 SOEC의 가동률을 높일 수 있다. 재생에너지는 시간에 따른 발전량이 일정하지 않고, 그마저도 하루 중 특정 시간대, 그리고 특정 계절에 집중되어 있다. 이 때문에 재생에너지 연계 수전해 단지는 외부 그리드에 의존하지 않는 이상 전력을 일정하게 공급받기 어려워 가동률이 비교적 낮은 수준에 머물렀다. 낮은 가동률은 SOEC에 특히 치명적인데, 그 이유는 SOEC의 경우 고온 운전으로 인해 재료들이 열팽창되기 때문에 운전/정지가 자주 반복되면 재료들이 팽창과 수축을 반복하며 균열이 생기고 파손될 위험이 증가하기 때문이다. 하지만 원전으로부터 안정적으로 전기를 공급받을 수 있다면 장치 수명과 경제성 모두 크게 향상시킬 수 있다. 

두 번째로, 원전은 전기뿐만 아니라 열도 일정하게 공급할 수 있다. 철강이나 석유화학 플랜트의 경우, 화학 반응이 항상 일정하게 일어나는 것은 아니기 때문에 공급되는 페열의 유량과 온도 또한 일정하지 않다. 외부에서 공급되는 폐열의 양이 일정하지 않으면 SOEC의 온도를 일정하게 유지하기 어렵기 때문에 앞서 언급했던 재료의 팽창과 수축으로 인한 장치 피로가 증가한다. 반면 원전 폐열의 유량과 온도는 매우 일정한 편인데, 그 이유는 원전에서 일어나는 핵분열 반응은 본질적으로 연속 반응이기 때문이다. 물론 원전의 정기 안전 점검으로 인한 가동 중단이 있긴 하지만, 이는 예측 가능한 수준이다. 이런 점에서 원전에서 발생하는 폐열은 SOEC와 연결하기에 매우 유리한 특성을 띠고 있다고 평가받는다.

2) HTGR

핑크 수소 생산을 위한 기술 진보는 수전해 기술뿐만 아니라 원자력 발전 기술에서도 일어나고 있다. 2024년 기준으로 전 세계 원자로의 99% 이상은 폐열의 온도가 400도 이하인 저온형 또는 중온형 원자로이다. SOEC와 연계하기 위한 폐열의 최소 온도 조건은 130도 이상이기 때문에, 이러한 원자로도 SOEC와 연계하는 것이 불가능한 것은 아니다. 다만 SOEC의 작동 온도에는 미치지 못하기 때문에, 중저온형 원자로의 폐열은 보일러를 통한 추가적인 가열이나 히트펌프로 열에너지를 옮기는 중간 과정을 거치는 등 간접적인 방식으로 주로 통합된다.

[자료 3. 원자력 발전소의 종류별 발전량]

출처 : IAEA

하지만 최근 전기화가 어려운 산업 부문의 탈탄소화를 위한 고온 폐열 공급의 중요성이 커지면서 고온 원자로(High Temperature Gas Reactor, HTGR) 기술이 주목받고 있다. HTGR은 우라늄 연료 입자를 여러 겹의 세라믹 코팅으로 감싼 구조를 띠는 TRISO(TRi-structural ISOtropic) 연료를 사용하고, 냉각재로 물을 사용하던 기존 방식과 달리 헬륨 기체를 사용한다. HTGR은 700도가 넘는 고온의 폐열을 공급할 수 있는데, 700도는 SOEC의 작동 온도와도 유사하기 때문에 SOEC와 직접적인 연계가 가능하다. 따라서 HTGR은 중저온형 원자로보다도 폐열 연계의 효과가 훨씬 더 증가한다.

HTGR과 SOEC를 연계했을 때와 중저온형 원자로(PWR) PEM을 연계했을 때의 수소 가격을 비교한 한 연구에 따르면, HTGR-SOEC 방식이 PWR-PEM 방식보다 전기 소비가 적음에도 불구하고, 현재는 HTGR의 높은 시스템 설계 난이도와 건설 비용으로 인해 PWR-PEM 방식이 더 경제적이다. 그렇지만 HTGR의 수명이 35년으로 증가하게 된다면 수소 1kg당 2.2달러의 LCOH를 달성하게 되면서 60년 수명의 PWR-PEM 시나리오보다 경제성 측면에서 우위에 설 수 있을 것으로 전망된다. 

또한 최근에는 열교환기를 거치지 않고 원자로의 고온 증기를 직접 SOEC 스택에 유입시키는 연계 방식도 논의되고 있다. 이러한 방식은 열교환기에서의 열에너지 손실을 줄임으로서 폐열 회수 효율을 늘릴 수 있지만, SOEC 스택으로 이물질이 유입되어 셀 열화를 가속화한다는 한계점이 있어 아직까지는 개발이 더 필요한 기술이다. 

비록 SOEC와 HTGR 모두 현재까지는 완전히 성숙한 기술은 아니지만, 꾸준한 연구 성과와 함께 기술 개발이 지속적으로 이뤄지고 있기 때문에 장기적으로는 싸고 효율적인 핑크수소 생산 방식의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

핑크수소 관련 산업&정책 동향

우리나라는 산업용 청정수소가 대규모로 필요하지만, 재생에너지는 충분하지 않기 때문에 더더욱 핑크수소에 주목하고 있다. 먼저 한국수력원자력(한수원)은 울주군에서 2028년 완공을 목표로 10MW급 핑크수소 생산 실증 사업을 주도하고 있으며, 총 829억 원을 투입해 설계·구축·운영을 추진한다. 여기에는 삼성물산, 두산에너빌리티, 현대건설 등 12개 기관이 참여하며, 한수원은 노르웨이 넬과 원전 연계 청정수소 MOU를 체결해 글로벌 기술 개발을 모색하고 있다. 또한 체코 UJV-Rez와 협약을 체결하여 해외 시장 진출도 시도 중이다.

경상북도 또한 ‘수소에너지 고속도로 프로젝트’를 수립하는 등 산업용 수소 공급에 핑크수소를 적극적으로 활용할 전망이다. ‘수소에너지 고속도로’란 울진 원자력 수소 국가산업단지에서 생산된 원전 기반 핑크수소를 대구·경북 전역으로 공급하기 위한 1,000km 규모 배관망 프로젝트다. 이를 통해 저탄소 청정수소 인프라를 구축해 수소경제 전환을 가속화하고, 포스코 등 철강 산업의 수소 환원 제철을 지원할 예정이다.

정부 차원에서도 핑크수소 생산 확대를 위해 정책적으로 노력하고 있다. 지난 2019년 정부는 수소 경제 활성화 로드맵을 발표하며 국내 전체 수소 수요 중 20%가량을 국산 블루, 그린수소로 공급하겠다는 계획을 밝혔다. 하지만 해당 로드맵에서 해외 수소 의존도가 너무 높다는 비판이 꾸준히 존재해왔는데, 그 당시에는 로드맵에 핑크수소를 통한 수소 생산 방식이 포함되지 않았었다. 그러나 최근에는 수소 생산 계획에 핑크수소를 적극적으로 반영하면서, 수소 자급률을 높이기 위한 새로운 가능성이 열렸다. 

대표적으로 기후에너지환경부는 2025년 연내 수소 로드맵을 발표해 원전 기반 핑크수소와 그린수소를 병행 육성할 계획이다. 이호현 기후에너지환경부 제2차관은 지난 11월 5일 개최된 ‘수소경제 재도약을 위한 R&D·정책 방향' 간담회에 참석하여 핑크수소 생산을 위한 SMR(소형모듈원자로) 활용 실증의 필요성을 언급하는 등 정부가 핑크수소를 수소 생태계 활성화를 위한 주요 전략 중 하나로 보고 있음을 명확히 했다. 이처럼 정부 차원에서도 핑크수소 활성화를 위한 정책적 지원이 적극적으로 이뤄질 전망이다.

원자력과 수소가 그리는 탄소중립의 핑크빛 미래

이처럼 핑크수소는 원자력의 안정적인 전력과 고온 열을 활용해 대규모·저탄소 수소 생산을 가능하게 하는 핵심 수단으로서, 에너지 전환 과정에서 전략적 중요성을 지닌다. 재생에너지 기반 수소가 간헐성과 부지 제약이라는 한계를 안고 있는 반면, 핑크수소는 24시간 연속 운전이 가능한 원자력의 특성을 바탕으로 수소 공급의 신뢰성과 경제성을 동시에 확보할 수 있다. 특히 고온수전해(SOEC) 등 혁신 기술과의 결합은 전력 소비를 줄이고 효율을 높여, 수소 생산 비용을 구조적으로 낮출 잠재력을 보여준다.

산업 측면에서도 핑크수소는 철강, 석유화학 등 대규모 수소 수요 산업의 탈탄소화를 실질적으로 뒷받침할 수 있는 선택지로 부상하고 있다. 각국의 정책 동향 역시 원자력을 저탄소 에너지로 재평가하며 수소 전략에 포함하려는 움직임을 보이고 있어, 핑크수소의 제도적 기반은 점차 확대될 가능성이 크다.

결국 핑크수소는 그린수소를 대체하는 개념이 아니라, 상호 보완적으로 에너지 전환의 속도와 현실성을 높이는 중요한 축이다. 다만 원자력을 수전해와 연계하는 것과 관련한 안전 규제는 아직 해결해야 할 과제로 남아 있기 때문에, 핑크수소에 대한 합리적인 안전 기준 마련과 제도 정비가 시급하다. 만약 기술적 완성도 제고와 함께 사회적 수용성, 명확한 정책 신호가 병행된다면, 핑크수소는 안정성과 효율성을 겸비한 탄소중립의 ‘현실적인 해법’으로 분명히 자리매김할 것이다.

수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소경제, 한국이 수소 수입에 주목하는 이유", 26기 신혜진, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4854

2. "[세계 수소 여행] 독일 : 발전을 위한 한 걸음의 후퇴", 25기 이예영, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4875

참고문헌 

[핑크 수소, 경제성과 전력망 안정의 ‘두 마리 토끼’] 

1) IEA, “Global Hydrogen Review 2024”, 2024

2) Lazard, “Lazard’s Levelized Cost of Hydrogen Analysis”, 2021

3) OECD-NEA., “The role of nuclear energy in clean hydrogen productipn”, 2022

[핑크수소를 위한 혁신 기술들] 

1) IAEA, " Net electrical power of operational nuclear reactors worldwide as of December 2024, by reactor type (in gigawatts) [Graph]", Statista, 2025.09.09, https://www.statista.com/statistics/238480/power-output-of-nuclear-power-plants-worldwide-by-reactor-type/

2) Nuclear Energy Angency, "High-temperature reactors and industrial heat application", 2021.11.08, https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_61881/high-temperature-reactors-and-industrial-heat-application

3) Su Won Lee et al, “ Economic evaluations of hydrogen production and storage systems coupled with high-temperature gas-cooled reactors”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 124, 2025

4) Yongmin Zhao et al, “System Level Heat Integration and Efficiency Analysis of Hydrogen Production Process based on Solid Oxide Electrolysis Cells”, International Journal of Hydrogen Energy, vol 46, 2021

[핑크수소 관련 산업&정책 동향]

1) 경상북도 보도자료, "경북도, ‘수소에너지 고속도로 기본계획 수립 용역’ 착수", 2025.04.28, https://www.gb.go.kr/Main/page.do?mnu_uid=6792&dept_code=&dept_name=&BD_CODE=bbs_bodo&bdName=&cmd=2&Start=480&B_NUM=503321601&B_STEP=503321600&B_LEVEL=0&key=4&word=&p1=0&p2=0&V_NUM=11489&tbbscode1=bbs_bodo

2) 신유경, ““원전 이어 핑크수소로 세계 공략”…청정에너지 개발 몰두하는 한수원”, 매일경제, 2025.03.23, https://m.mk.co.kr/news/economy/11270906 

3) 최경민, “'원전'으로 '수소'만든다, 지원책 연내 발표…"정부 의지 확고"”, 머니투데이, 2025.11.05, https://v.daum.net/v/20251105160447897